Um fliegende Drohnen besser unter Wasser sehen zu lassen, arbeiten Forscher der Stanford University am "Photoacoustic Airborne Sonar System" (Pass). Dieses fotoakustische System beschiesst die Wasseroberfläche mit einem Laser, um Schallwellen zu erzeugen. Diese dienen dann unter Wasser als Sonar, dessen reflektiertes Signal in der Luft stark genug bleibt, dass es die Drohne auffangen kann. Noch klappt das zwar nur in einem Aquarium, doch könnte es auf Dauer die Erforschung der Weltmeere erleichtern.
Jene 70 Prozent der Erdoberfläche, die von Wasser bedeckt sind, wurden bislang vergleichsweise schlecht erforscht. Denn jene luft- und weltraumbasierten Radar- und Lidar-Systeme, die das Land seit Jahrzehnten vermessen, kommen mit Wasser nicht klar. Licht kann gar nicht tief eindringen. Schall wiederum verliert beim Übergang zwischen Luft und Wasser über 99,9 Prozent der Energie durch Reflexion und auf dem Rückweg an die Luft nochmals so viel. Da bleibt kein verwertbares Signal übrig. "Unser Ziel ist es, ein robusteres System zu entwickeln, das Bilder auch in trübem Wasser liefert", sagt Amin Arbabian, Elektrotechnik-Professor in Stanford.
Bei Pass versucht das Team daher, die Vorteile beider Ansätze zu kombinieren. Es sendet zunächst ein Laser-Signal aus, das sich in Luft gut ausbreitet. An der Wasseroberfläche wird absorbiert, wodurch Ultraschallwellen entstehen. Diese breiten sich unter Wasser gut aus, werden von Meeresboden oder anderen Objekten reflektiert und gelangen so wieder an die Wasseroberfläche. Beim Übergang in die Luft verliert dieses Sonar-Signal zwar viel Energie, aber das wenigstens nur einmal. "Wir haben ein System entwickelt, das empfindlich genug ist, einen Verlust dieser Grössenordnung auszugleichen und noch Signalerfassung und Bildgebung zu ermöglichen", betont Arbabian.
Das System misst die reflektierten Schallsignale mithilfe von Transducern. Eine Software analysiert dies und fügt sie wie ein Puzzle zu einem Bild von Objekten unter der Wasseroberfläche zusammen. Dabei muss es berücksichtigen, dass es beim Übergang des Schalls von Wasser in Luft zu Brechung kommt. Insgesamt ist das eine derart komplexe Aufgabe, dass es bislang nur bei einem Aquarium mit ruhiger Wasseroberfläche klappt.
"Wir arbeiten derzeit daran, mit Wasserwellen umzugehen. Das ist ein herausforderndes, aber unserer Ansicht nach lösbares Problem", sagt der Elektrotechnik-Doktorand Aidan Fitzpatrick. Als nächstes will das Team sein System in grösserem Labor-Setting und dann über offenen Wasser testen. "Unsere Vision für die Technologie ist der Einsatz an Bord eines Hubschraubers oder einer Drohne", so Fitzpatrick. Diese würden dann ein paar Dutzend Meter über dem Wasser fliegen.
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